無(wú)論我們是發(fā)射航天飛機(jī)還是試圖發(fā)現(xiàn)另一個(gè)類(lèi)似地球的行星,，我們都依賴(lài)于科學(xué)規(guī)律和理論來(lái)指導(dǎo)我們。

當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D描述自然和宇宙是如何運(yùn)作的時(shí)候,，他們有許多可用的工具,。他們通常先接觸定律和理論。有什么區(qū)別呢,？

科學(xué)的定律往往被簡(jiǎn)化為一個(gè)數(shù)學(xué)陳述（如E = mc2）,，它是一種基于經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的特定陳述，其真實(shí)性通常被限制在一定的條件下,。例如,，在E = mc2，c是指在真空中光速,。

科學(xué)理論常常試圖綜合一系列對(duì)特定現(xiàn)象的證據(jù)或觀察,。它通常（盡管并非總是）是關(guān)于自然運(yùn)行方式的更宏大、可驗(yàn)證的陳述,。你不可能把一個(gè)科學(xué)理論簡(jiǎn)化成一個(gè)精辟的陳述或方程式,，但它確實(shí)代表了自然界運(yùn)作的一些基本原理。

定律和理論都依賴(lài)于科學(xué)方法的基本要素,，如生成假設(shè),、檢驗(yàn)前提、發(fā)現(xiàn)(或找不到)經(jīng)驗(yàn)證據(jù)和得出結(jié)論,。最終,，如果這個(gè)實(shí)驗(yàn)注定要成為被廣泛接受的法律或理論的基礎(chǔ)，那么其他科學(xué)家必須能夠復(fù)制這些結(jié)果,。

在這篇文章中,，我們將看看你可能想要復(fù)習(xí)的10個(gè)科學(xué)定律和理論，即使這些定律和理論你自己都沒(méi)有注意過(guò),，比如經(jīng)常操作掃描電子顯微鏡,。我們將從一聲巨響開(kāi)始，然后繼續(xù)討論宇宙的基本定律,，然后再討論進(jìn)化論,。最后,，我們將討論一些更重要的材料，深入到量子物理學(xué)領(lǐng)域,。

NO.10 大爆炸理論

大爆炸理論

如果你想知道大爆炸科學(xué)理論說(shuō)的什么,，簡(jiǎn)單的說(shuō)，你可以把它當(dāng)成解釋宇宙如何到達(dá)現(xiàn)在狀態(tài)的理論,。根據(jù)埃德溫·哈勃,、喬治·勒邁特和阿爾伯特·愛(ài)因斯坦等人的研究，大爆炸理論假設(shè)宇宙始于大約140億年前的一次大規(guī)模膨脹事件,。當(dāng)時(shí),，宇宙被限制在一個(gè)點(diǎn)上,，包含了宇宙中所有的物質(zhì),。隨著宇宙不斷向外擴(kuò)張，最初的運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到今天,。

阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射后,，大爆炸理論在科學(xué)界得到了廣泛的支持。這兩位天文學(xué)家利用射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到宇宙噪聲,，也就是靜態(tài)噪聲,，這些噪聲不會(huì)隨時(shí)間消散。他們與普林斯頓大學(xué)的研究人員羅伯特·迪克合作,，證實(shí)了迪克的假設(shè),，即最初的大爆炸在整個(gè)宇宙中留下了可探測(cè)到的低輻射。

NO.9 哈勃宇宙膨脹定律

膨脹的宇宙

讓我們關(guān)注一下埃德溫·哈勃,。當(dāng)20世紀(jì)20年代呼嘯而過(guò),，大蕭條一瘸一拐地過(guò)去時(shí)，哈勃正在進(jìn)行開(kāi)創(chuàng)性的天文學(xué)研究,。哈勃望遠(yuǎn)鏡不僅證明了銀河系之外還有其他星系,，他還發(fā)現(xiàn)這些星系正在遠(yuǎn)離我們自己的星系，這是一種被他稱(chēng)為“衰退”的運(yùn)動(dòng),。

為了量化這個(gè)星系的速度運(yùn)動(dòng),，哈勃提出了哈勃宇宙膨脹定律，又稱(chēng)哈勃定律,，一個(gè)狀態(tài)方程：速度= H×距離,。速度表示星系的后退速度；H是哈勃常數(shù),，或表示宇宙膨脹速度的參數(shù),；距離是星系與被比較的星系的距離。

隨著時(shí)間的推移,，哈勃的常數(shù)以不同的值計(jì)算,，但是當(dāng)前的接受值是70公里/秒/每百萬(wàn)秒差距（70(km/s)/Mpc）,，后者是星系間空間的距離單位。就我們的目的而言,，這并不重要,。最重要的是，哈勃定律提供了一種簡(jiǎn)明的方法來(lái)測(cè)量星系的速度與我們自身的速度的關(guān)系,。也許最重要的是,，定律確定了宇宙是由許多星系組成的，這些星系的運(yùn)動(dòng)可以追溯到大爆炸,。

NO.8 開(kāi)普勒行星運(yùn)動(dòng)定律

行星太陽(yáng)連線在相同時(shí)間掃過(guò)陰影面積相同

幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),，科學(xué)家們就行星的運(yùn)行軌道，特別是它們是否圍繞著我們的太陽(yáng)運(yùn)行,，彼此和宗教領(lǐng)袖們進(jìn)行著斗爭(zhēng),。在16世紀(jì)，哥白尼提出了他有爭(zhēng)議的日心說(shuō),，即行星圍繞太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn),，而不是地球。但是,，約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒需要在泰科·布拉赫和其他人的研究基礎(chǔ)上,，為行星的運(yùn)動(dòng)建立一個(gè)清晰的科學(xué)基礎(chǔ)。

開(kāi)普勒在17世紀(jì)初形成的行星運(yùn)動(dòng)三定律描述了行星如何圍繞太陽(yáng)運(yùn)行,。第一個(gè)定律,，有時(shí)被稱(chēng)為軌道定律，指出行星圍繞太陽(yáng)的軌道是橢圓形的,。第二定律,，面積定律，規(guī)定行星與太陽(yáng)之間的連線在相同的時(shí)間內(nèi)覆蓋了相同的面積,。換句話說(shuō),，如果你測(cè)量從地球到太陽(yáng)的一條線所產(chǎn)生的面積，并追蹤地球在30天內(nèi)的運(yùn)動(dòng),，那么無(wú)論測(cè)量開(kāi)始時(shí)地球在其軌道上的哪個(gè)位置,，面積都是一樣的。

第三個(gè)是周期定律,，它允許我們?cè)谛行堑能壍乐芷诤退c太陽(yáng)的距離之間建立一個(gè)清晰的關(guān)系,。由于這一定律，我們知道一顆相對(duì)接近太陽(yáng)的行星,，如金星,，其軌道周期比遙遠(yuǎn)的行星(如海王星)要短得多。

NO.7 萬(wàn)有引力定律

萬(wàn)有引力定律

我們現(xiàn)在可能認(rèn)為這是理所當(dāng)然的，但300多年前,，艾薩克·牛頓爵士提出了一個(gè)革命性的想法：任何兩個(gè)物體,，無(wú)論其質(zhì)量如何，都會(huì)相互施加引力,。這一定律由許多中學(xué)生在物理課上遇到的一個(gè)等式表示,。是如下:

F = G×[(m1m2)/ r2]

F是兩個(gè)物體之間的萬(wàn)有引力，單位是牛頓,。m1和m2是兩個(gè)物體的質(zhì)量,，r是它們之間的距離。G是引力常數(shù),，目前計(jì)算是6.672×10 ^-11 N·m2/ kg2,。

萬(wàn)有引力定律的好處是，它允許我們計(jì)算任意兩個(gè)物體之間的引力,。當(dāng)科學(xué)家計(jì)劃將衛(wèi)星送入軌道或繪制月球軌跡時(shí),，這種能力尤其有用。

NO.6 牛頓運(yùn)動(dòng)定律

牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律

只要我們談?wù)摰氖怯惺芬詠?lái)最偉大的科學(xué)家之一,，讓我們繼續(xù)討論牛頓的其他著名定律,。他的三個(gè)運(yùn)動(dòng)定律構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分,。和許多科學(xué)定律一樣,，它們的簡(jiǎn)單性也相當(dāng)優(yōu)雅。

三定律中的第一條規(guī)定,，運(yùn)動(dòng)中的物體除非受到外力的作用,，否則它不會(huì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于一個(gè)滾過(guò)地板的球來(lái)說(shuō),，外力可能是球和地板之間的摩擦,，或者是蹣跚學(xué)步的孩子把球踢向另一個(gè)方向。

第二定律之間建立一個(gè)連接對(duì)象的質(zhì)量(m)和它的加速度(a),，方程的形式F = m×a,。F代表力量，單位為牛頓,。它也是一個(gè)矢量,，意味著它有一個(gè)方向分量。由于它的加速度,，在地板上滾動(dòng)的球有一個(gè)特定的矢量,，一個(gè)它運(yùn)動(dòng)的方向，它在計(jì)算它的力時(shí)是有原因的,。

第三條定律相當(dāng)精辟,，你應(yīng)該很熟悉：每一個(gè)行為都有一個(gè)平等和對(duì)立的反應(yīng)。也就是說(shuō)，對(duì)一個(gè)物體或表面施加的每一個(gè)力,，這個(gè)物體都以相等的力向后推,。

NO.5 熱力學(xué)定律

熱力學(xué)定律在起作用

英國(guó)物理學(xué)家和小說(shuō)家C.P.斯諾曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，一個(gè)不知道熱力學(xué)第二定律的非科學(xué)家就像一個(gè)從未讀過(guò)莎士比亞的科學(xué)家,。斯諾現(xiàn)在著名的說(shuō)法是為了強(qiáng)調(diào)熱力學(xué)的重要性和非科學(xué)家了解熱力學(xué)的必要性,。

熱力學(xué)是研究能量如何在一個(gè)系統(tǒng)中工作的，不管是一個(gè)引擎還是地球的核心,。它可以歸結(jié)為幾個(gè)基本定律,，斯諾聰明地總結(jié)為:

• 你不可能贏。
• 你不能收支平衡,。
• 你不能退出游戲,。

讓我們把這些整理一下。通過(guò)說(shuō)你贏不了,，斯諾意味著既然物質(zhì)和能量是守恒的,，你就不能得到一個(gè)而不放棄另一個(gè)。（例如,，E = mc2）,。這也意味著引擎要產(chǎn)生功，就必須提供熱量,，盡管除了完全封閉的系統(tǒng)之外,，其他任何系統(tǒng)都不可避免地會(huì)失去一些熱量，這就引出了第二定律,。

第二種說(shuō)法,，你不能收支平衡，意味著由于熵越來(lái)越大,，你不能回到相同的能量狀態(tài),。集中在一個(gè)地方的能量總是流向低濃度的地方。

最后,，第三定律,，你不能退出游戲，指的是絕對(duì)零度,，這是可能的最低的理論溫度,，以0開(kāi)爾文或(- 273.15攝氏度和- 459.67華氏度)測(cè)量。當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到絕對(duì)零度時(shí),，分子停止了所有的運(yùn)動(dòng),，這意味著沒(méi)有動(dòng)能，熵達(dá)到了可能的最低值,。但在現(xiàn)實(shí)世界中,，即使是在空間的深處，達(dá)到絕對(duì)零度也是不可能的，你只能非常接近它,。

NO.4 阿基米德浮力原理

浮力使從橡皮鴨到遠(yuǎn)洋客輪的一切都保持漂浮狀態(tài)

古希臘學(xué)者阿基米德發(fā)現(xiàn)自己的浮力原理后,，據(jù)稱(chēng)他大喊“找到了！（Eureka）!”,，然后赤身裸體地在錫拉丘茲城奔跑,。這個(gè)發(fā)現(xiàn)非常重要。據(jù)說(shuō)阿基米德在進(jìn)入浴盆時(shí)發(fā)現(xiàn)水勢(shì)上升,，這是他的重大突破,。

根據(jù)阿基米德的浮力原理，作用于或浮于水中或部分沉入水中的物體的力等于該物體所排開(kāi)的液體的重量,。這種原理的應(yīng)用范圍很廣,，對(duì)計(jì)算密度、設(shè)計(jì)潛艇和其他遠(yuǎn)洋船只都非常重要,。

NO.3 進(jìn)化和自然選擇

一個(gè)假設(shè)的(和簡(jiǎn)化的)例子,，說(shuō)明自然選擇如何在青蛙中進(jìn)行

既然我們已經(jīng)建立了一些關(guān)于宇宙起源的基本概念以及物理學(xué)在我們?nèi)粘Ｉ钪械谋憩F(xiàn)，讓我們把注意力轉(zhuǎn)向人類(lèi)形態(tài)以及我們?nèi)绾纬蔀楝F(xiàn)在的樣子,。根據(jù)大多數(shù)科學(xué)家的說(shuō)法,，地球上所有的生命都有一個(gè)共同的祖先。但是為了在所有生物體之間產(chǎn)生巨大的差異,，某些生物必須進(jìn)化成不同的物種,。

在基本的意義上，這種分化是通過(guò)進(jìn)化和修改而產(chǎn)生的,。通過(guò)突變等機(jī)制,，生物種群發(fā)展出了不同的特征,。那些具有更有利于生存的特征的物種,，例如，一只棕色的青蛙,，它可以偽裝在沼澤中,，自然地被選擇生存；自然選擇一詞由此而來(lái),。

我們有可能對(duì)這兩種理論進(jìn)行更深入的闡述,，但這是達(dá)爾文在19世紀(jì)所做的最基本、最具開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn):通過(guò)自然選擇的進(jìn)化解釋了地球上生命的巨大多樣性,。

NO.2 廣義相對(duì)論

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論改變了我們對(duì)宇宙的理解

阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論仍然是一個(gè)重要而重要的發(fā)現(xiàn),，因?yàn)樗谰玫馗淖兞宋覀儗?duì)宇宙的看法。愛(ài)因斯坦的重大突破是他說(shuō)空間和時(shí)間不是絕對(duì)的,，重力不是簡(jiǎn)單地作用于物體或質(zhì)量上的力,。相反，與任何質(zhì)量相關(guān)的重力會(huì)使它周?chē)目臻g和時(shí)間(通常稱(chēng)為時(shí)空)發(fā)生彎曲。

為了概念化這個(gè)概念,，假設(shè)你沿著一條直線穿越地球,，向東，從北半球的某個(gè)地方開(kāi)始,。過(guò)了一段時(shí)間,，如果有人在地圖上指出你的位置，你實(shí)際上就在你原來(lái)位置的東南方,。那是因?yàn)榈厍蚴菑澢?。要直接向東旅行，你必須考慮到地球的形狀,，并將自己稍稍向北傾斜,。(想想平面地圖和球形地球的區(qū)別。)

空間幾乎是一樣的,。例如,，對(duì)于環(huán)繞地球運(yùn)行的航天飛機(jī)的乘客來(lái)說(shuō)，它們看起來(lái)就像是在一條直線上穿越太空,。事實(shí)上,，它們周?chē)臅r(shí)空被地球的引力彎曲(就像對(duì)任何具有巨大引力的大型物體，如行星或黑洞一樣),，導(dǎo)致它們向前移動(dòng),，并看上去繞地球運(yùn)行。

愛(ài)因斯坦的理論對(duì)天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的未來(lái)有著巨大的影響,。它解釋了水星軌道上的一個(gè)微小的,、意想不到的異常，展示了星光是如何彎曲的,，并為黑洞奠定了理論基礎(chǔ),。

NO.1 海森堡的不確定性原理

不確定性原理

愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論告訴我們更多關(guān)于宇宙是如何運(yùn)作的，并為量子物理學(xué)奠定了基礎(chǔ),，但它也給理論科學(xué)帶來(lái)了更多的困惑,。1927年，德國(guó)科學(xué)家維爾納·海森堡發(fā)現(xiàn)了宇宙規(guī)律,，在某些情況下,，這種感覺(jué)是靈活的。

在假定他的不確定原理時(shí),，海森堡發(fā)現(xiàn)不可能精確度很高的同時(shí)知道一個(gè)粒子的兩種性質(zhì),。換句話說(shuō)，你可以很確定地知道電子的位置,，但不能知道它的動(dòng)量,，反之亦然,。

尼爾斯·玻爾后來(lái)有了一個(gè)發(fā)現(xiàn)，有助于解釋海森堡的原理,。玻爾發(fā)現(xiàn)一個(gè)電子具有粒子和波的性質(zhì),，這一概念被稱(chēng)為波粒二象性，它已經(jīng)成為量子物理學(xué)的基石,。所以當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)電子的位置時(shí),，我們把它當(dāng)作一個(gè)粒子，在空間的一個(gè)特定點(diǎn),，它的波長(zhǎng)是不確定的,。當(dāng)我們測(cè)量它的動(dòng)量時(shí)，我們把它當(dāng)作一個(gè)波,，這意味著我們可以知道它的波長(zhǎng)的振幅,，但不能知道它的位置。